Dynamische magnetische Untersuchungen der Partikel-Matrix-Wechselwirkung magnetischer Hybridmaterialien

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238074956

Ziel des Projektes ist die Fortsetzung der Anwendung der in den ersten beiden Förderperioden entwickelten und etablierten Messmethoden (MRX und ACS) zur Charakterisierung der dynamischen magnetischen Eigenschaften von magnetischen Nanopartikeln (MNP) in verschiedenen Partikel-Matrix-Hybridsystemen. Diese sollen zum besseren Verständnis der Partikel-Matrix-Wechselwirkung und damit der magnetischen Steuerbarkeit der Matrixeigenschaften dienen. Die Antwort eines MNP auf ein zeitabhängiges Magnetfeld gestattet die Bestimmung der charakteristischen Zeitkonstante, die wiederum – vorausgesetzt, dass die MNP thermisch geblockt sind – Informationen über die lokale Einbindung des Partikels in die Matrix liefert. Im Fokus der Arbeiten in der dritten Förderperiode soll hierbei vor allem die temperaturabhängige Untersuchung des Einflusses eines Magnetfeldes auf die Partikel-Matrix-Wechselwirkung stehen. Hierzu stehen verschiedene, im Rahmen des SPP-Konsortiums einzigartige Messmethoden zur Verfügung, die sowohl die Variation der Temperatur bis etwa 80°C als auch das gleichzeitige Anlegen von statischen Hintergrundfeldern bis mindestens 10 mT erlaubt. In Verbindung mit den dynamischen Messmethoden steht die Entwicklung theoretischer Modelle, die die Bestimmung von rheologischen Parametern aus dem Messsignal gestatten. Dazu werden die Untersuchungen an speziellen Modellsystemen fortgesetzt, die in Zusammenarbeit mit Projektpartnern – insbesondere der "Arbeitsgruppe Rheologie" – realisiert werden. Dazu gehören nicht-Newtonsche Fluide, wie PEG-Lösungen, als auch viskoelastische Matrizen (vernetzte Hydrogele). Die aus den nanorheologischen Untersuchungen erhaltenen Materialparameter, wie Viskosität und Schermodul, und insbesondere deren Magnetfeldabhängigkeit sollen mit den aus makrorheologischen Untersuchungen erhaltenen verglichen werden, um das skalenübergreifende Verständnis der magnetorheologischen Effekte weiterzuentwickeln. Die skalenübergreifende Untersuchungen implizieren auch die Verwendung von verschieden großen MNP. Neben den bisher untersuchten Partikelsystemen sollen geblockte sphärische Multikernpartikel mit Durchmessern über 100 nm in die Untersuchungen einbezogen werden. Temperaturabhängige Messungen sollen in Kooperation mit Projektpartnern vor allem zur Untersuchung des Sol-Gel-Übergangs und der Größenänderung von thermoreversiblen pNIPAM-Gelkugeln eingesetzt werden. Die Untersuchungen zur Magnetfeldabhängigkeit der Brown- und Néel-Zeitkonstanten und der Vergleich mit den aus Mössbauer-Spektroskopie erhaltenen Ergebnissen sollen fortgeführt werden. Die an den verschiedenen Modellsystemen entwickelten Methoden zur magnetorheologischen Charakterisierung von Partikel-Matrix-Hybridsystemen gilt es zu konsolidieren und auf technisch und biomedizinisch relevante Materialsysteme anzuwenden. Die erhaltenen Ergebnisse sollen Arbeitsgruppen zur Verfügung gestellt werden, um deren theoretischen Modelle zu verifizieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1681: Feldgesteuerte Partikel-Matrix-Wechselwirkungen: Erzeugung, skalenübergreifende Modellierung und Anwendung magnetischer Hybridmaterialien
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Meinhard Schilling